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1 – Água e solo
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1.1 - Solo
Solo Camada externa e agricultável da superfície da terra, constituindo um sistema complexo e heterogêneo, cuja formação:sistema complexo e heterogêneo, cuja formação:
Material de origem Tempo Clima Topografia
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1.1 - Solo
a) Fração sólida
Matéria orgânicaMinerais Matéria orgânica
Forma Tamanho(textura)
Composição química
Minerais
Resíduos vegetais e
animais
Clima
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1.1 - Solo
a) Fração sólida
Organização Poros (estrutura)Junção de partículas (agregados)
Organização - arranjo
Poros (estrutura)Junção de partículas (agregados)
b) Fração líquida Solução do solo
c) Fração gasosa Extremamente variávelCO2 e O2
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Fração líquida Interação física se manifesta por meio de forças que adsorvem a água junto à matriz
Fração gasosa
Um solo bem agregado (estruturado) apresenta boaquantidade de poros de tamanho relativamentegrande macroporosidade:
Penetração de raízes circulação de ar manejo do ponto de vista agrícola movimentação de água no solo
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1.2 – Relações massa-volume dos solos
ar
Ma
r
Va
r
sólido
água
Ma
M
s
Va
V
s
saart MMMM ++=
saart VVVV ++=
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Para um volume de 1,0 cm3, as massas de ar, água e soloque ocupam o referido volume são da ordem de 1,12.10-3;1,0 e 2,7 g, respectivamente. Portanto, pode-sedesprezar, no cômputo da massa total do solo, a parcelareferente ao ar do solo, uma vez que seu valor é bemreferente ao ar do solo, uma vez que seu valor é beminferior à massa da água e a dos sólidos. Dessa forma:
sat MMM +=
spt VVV +=
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a) Densidade (massa específica) do solo (Ds): representaa relação entre a massa de sólidos em relação ao volumede controle (Vt), ou seja:
M
t
ss V
MD =
Ex. Determine a densidade do solo amostrado em umcilindro de 5,0 cm de diâmetro, 2,5 cm de altura, em que,a massa do solo após secagem foi de 64,3 g.
322
t cm1,495,24
5h
4
DV =×π=×π= 3
s cm.g31,11,49
3,64D −==
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b) Densidade (massa específica) de partículas (Dp):representa a relação entre a massa de sólidos em relaçãoao volume do solo ocupado pela fase sólida (Vs):
Ex. Para o solo amostrado descrito no Exercício 1.1,determine a massa específica de partículas sabendo-seque o volume de sólidos foi de 24,2 cm3.
s
sp V
MD =
3
s
sp cm.g66,2
2,24
3,64
V
MD −===
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c) Porosidade total (P): expressa a relação entre ovolume de poros, ocupados pelas fases líquida e gasosa dosolo, em relação ao seu volume total:
Ex. Determine a porosidade total usando as massasespecíficas do solo e de partículas dos exercíciosanteriores.
t
p
t
st
V
V
V
VVP =
−=
p
s
s
s
t
s
t
t
DD
1MV
VM
VV
P −=−=
%8,50oucm.cm508,066,2
31,11
D
D1P 33
p
s −=−=−=
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d) Porosidade drenável (Pd): se refere à diferença entreporosidade total e a umidade volumétrica em capacidadede campo (θcc)
ccd PP θ−=
Para as situações em que o solo possui certa umidade, aparcela do solo ocupada com a fase gasosa, pode-seentão determinar a porosidade livre de água (PLA), ouseja:
θ−= PPLA
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1.3 – Umidade do solo
Umidade com base em massa (U)
MaMsMtU =−=
Ms
Ma
Ms
MsMtU =−=
sDUVtMs
MsMa ==θ
Umidade com base em volume (θ)
Vt
Va
Vt
VsVt =−=θ como dágua = 1 ma = Va
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Um resultado de U = 0,30 g g-1 significa que 130 g de uma amostra úmida contém 30 g de água (umidade com base em massa seca).
Ex: Amostra de solo em um anel de 5 cm de altura e 5 cm de diâmetro.
massa do anel = 82,5 g massa do anel + solo úmido = 224,85 g massa do anel + solo seco = 193,55 g
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Método direto- Gravimétrico (estufa)
1.4 – Medida de umidade no solo
Métodos indiretos- Blocos de resistência elétrica (Bouyoucos)- Moderação de neutrons (sonda)- Tensiometria- TDR (Time Domain Reflectometry)
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Métodos indiretos- Blocos de resistência elétrica (Bouyoucos)
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Métodos indiretos- Sensor Watermark
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Métodos indiretos- Sonda HydroSense
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Métodos indiretos- Sonda HydroSense
50θ = 0,6165 L + 14,595
R² = 0,9656
10
15
20
25
30
35
40
45
50
10 15 20 25 30 35 40 45 50
Um
ida
de
ob
tida
pel
o m
éto
do p
adr
ão
(%)
Umidade medida pela sonda Hydrosense (%)
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Métodos indiretos- Tensiômetro
.
h
A12A hhh6,12 ++−=ψ
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Métodos indiretos- Tensiômetro
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Métodos indiretos- Moderação de Neutrons
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Métodos indiretos- Moderação de Neutrons
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Métodos indiretos- Reflectometria no domínio do tempo (TDR)
2 312
2 3
4
123
1
4
∆d = deslocamento (m)Vp = Vel. de propagaçãoL = comp. da haste (m)
2
LVpd
Ka
∆=
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Material Constante dielétrica (adimensional) Ar 1 Partículas sólidas do solo 3-5 Água 81 Matriz do solo 1-81
Distância (cm)180 200 220 240 260 2800
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
X2
X1θ = 0,20 m3/m3
θ = 0,26
θ = 0,33
2
12
.
−=VpL
XXKa
L = 10 cm
Vp = 0,99
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Métodos indiretos- Reflectometria no domínio do tempo (TDR)
A técnica da TDR apresenta inúmeros benefícios naA técnica da TDR apresenta inúmeros benefícios nadeterminação da umidade do solo. Para a sua satisfatóriautilização é necessário, no entanto, o cumprimento dealgumas etapas, quais sejam:
- construção dos sensores;- calibração no campo/laboratório;- instalação dos sensores; e- determinação da “Ka”.
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Métodos indiretos- Reflectometria no domínio do tempo (TDR)
- Construção das sondas- Construção das sondas
15 cm3 cm
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Métodos indiretos- Reflectometria no domínio do tempo (TDR)
- Construção das sondas- Construção das sondas
Cabo RG-58 50 Ω Conector BNC
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Métodos indiretos- Reflectometria no domínio do tempo (TDR)
- Construção das sondas- Construção das sondas
Resina Epoxy x Catalizador
Barras de aço inox (3 mm)
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Métodos indiretos- Reflectometria no domínio do tempo (TDR)
- Construção das sondas- Construção das sondas
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Métodos indiretos- Reflectometria no domínio do tempo (TDR)
- Calibração- Calibração
Esta equação tem sido largamente utilizadademonstrando sua adequacidade na determinação de θ.No entanto, tendo em vista as diferentes característicasentre solos, nem sempre o modelo proposto é adequado.
222436 10.3,5Ka.10.92,2Ka10.5,5Ka.10.3,4 −−−− −+−=θ
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Métodos indiretos- Reflectometria no domínio do tempo (TDR)
- Calibração- Calibração
Apesar da TDR ser um método confiável, Souza et al.(2006) ressaltam que para uma interpretação maisprecisa da medida de Ka (θ), é fundamental a calibraçãode uma curva específica para o local de estudo.
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Métodos indiretos- Reflectometria no domínio do tempo (TDR)
- Calibração- Calibração
Durante a calibração deve ser reproduzida a condição decampo na qual a técnica será utilizada.
Campo x Laboratório
Ka x θ
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θ = 4E-06ka3 - 0,0003ka2 + 0,0213ka - 0,0696R² = 0,9854
0,20
0,25
0,30
0,35-3
)
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0 3 5 8 10 13 15 18 20 23 25
θ (c
m3 .
cm-
ka
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Métodos indiretos- Reflectometria no domínio do tempo (TDR)
- Instalação das sondas- Instalação das sondas
O número de sondas a ser utilizado para monitoramentoda umidade ou condutividade elétrica vai depender dahomogeneidade das características do solo da áreaexperimental e da profundidade do perfil do solo a sermonitorada.
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Métodos indiretos- Reflectometria no domínio do tempo (TDR)
- Instalação das sondas- Instalação das sondas
Normalmente, em estudos de manejo da irrigação, aprofundidade monitorada corresponde à própriaprofundidade efetiva do sistema radicular da(s)cultura(s), enquanto que em estudos de lixiviação denutrientes ou percolação profunda no perfil, sondasdevem ser instaladas a maiores profundidades.
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Métodos indiretos- Reflectometria no domínio do tempo (TDR)
- Instalação das sondas- Instalação das sondas
Quando o estudo é realizado para culturas com maiorprofundidade de sistema radicular e/ou visando omovimento horizontal da frente de umedecimento noperfil do solo, há necessidade de escavação detrincheiras maiores, permitindo a instalação de umnumero bem superior de sondas.
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Métodos indiretos- Reflectometria no domínio do tempo (TDR)
- Determinação de Ka- Determinação de Ka
Além da escolha do numero de sondas e da corretainstalação das mesmas, o treinamento para execução dasmedições e a manutenção dos equipamentos, devem sertambém considerados.
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Métodos indiretos- Reflectometria no domínio do tempo (TDR)
- Determinação de Ka- Determinação de Ka
Além da escolha do numero de sondas e da corretainstalação das mesmas, o treinamento para execução dasmedições e a manutenção dos equipamentos, devem sertambém considerados.
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1.5 – Armazenamento de água no solo
Para um manejo adequado da irrigação é necessárioconhecermos a quantidade de água armazenada em umconhecermos a quantidade de água armazenada em umperfil do solo, em um dado instante.
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1.5 – Armazenamento de água no solo
SSV
h =
V
mm0,1m
L1h 2 ==
h é a quantidade de água sobre a superfície unitária (S = 1). Assim
S
No solo e considerando superfície unitária, h = V.
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1.5 – Armazenamento de água no solo
S = 1 cm2
V = 1 cm3V = 1 cm
Como a área éunitária, ovolume de águaV é igual a θ1
cm3 de água e,então, θ1 = h1.
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Seja o exemplo: se 1 cm3 de solo tem um θ = 0,35cm3 cm-3 naquele volume de solo, cuja base é 1cm2, tem 0,35 cm3 de água. Portanto, a altura deágua é 0,35 cm ou 3,5 mm.
Num segundo cm, com θ2, a altura de água será h2 eassim sucessivamente até hn. Portanto, até aprofundidade L, a altura de água armazenada é asoma de todas as camadas de 1 cm até L. Admite-seque a umidade do solo não varia na direçãohorizontal, apenas na vertical.
∑θ==
L
1iiLA
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Profunidade Z (cm) Umidade θ (cm3 cm-3)
0 – 1 0,101 1 – 2 0,132 2 – 3 0,154
A águaarmazenada de0 – 5 cm é: 0,101+ 0,132 + 0,154 +0,186 + 0,201 =2 – 3 0,154
3 – 4 0,186 4 – 5 0,201 5 – 6 0,222 6 – 7 0,263 7 – 8 0,300
8 – 9 0,358 9 - 10 0,399
0,186 + 0,201 =0,774 cm ou7,74 mm. A águaarmazenada até10 cm será23,16 mm.
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O somatório apresentado na equação
pode ser substituído por uma integral:
∑θ==
L
1iiLA
∫ θ=L
dzApode ser substituído por uma integral: ∫ θ=L
0L dzA
Na primeira equação, como dz era igual a unidade, oseu valor não aparecia na expressão.
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Para se determinar o armazenamento de água em umperfil, o ideal, portanto, é necessário conhecer afunção θ(z) que define o perfil de umidade, e assimproceder a integração analítica. No entanto, θ(z) éfunção do tempo podendo assumir diferentes formas.função do tempo podendo assumir diferentes formas.Por isso, torna-se praticamente impossível o uso deintegrações.
Uma possibilidade é se trabalhar com integraçãonumérica, conhecendo os valores de θ para diferentesz. Desta forma, o perfil de umidade se transforma emum histograma, cuja área pode ser obtida pelo métododos trapézios.
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z...zzA n21L ∆θ++∆θ+∆θ=
z)...(A n21L ∆θ++θ+θ= z)...(A n21L ∆θ++θ+θ=
nzn
)...(A n21
L ∆θ++θ+θ=
LAL θ= ∫ −θ=θ=−
2L
1L12)1L2L()LL(dzA
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Ex: em um dado instante foram determinadas amostrasde solo em uma cultura de cana-de-açúcar e obtidos osseguintes resultados:
Z (m) ds (kg m-3) U (%)
0 – 0,15 1250 12,3 0 – 0,15 1250 12,3 0,15 – 0,30 1300 13,2 0,30 – 0,45 1300 13,8
0,45 – 0,60 1150 15,2 0,60 – 0,75 1100 18,6
0,75 – 0,90 1100 16,3 0,90 – 1,05 1050 13,7 1,05 – 1,20 1000 13,7
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Z (m) ds (kg m-3) U (%)
0 – 0,15 1250 12,3 0,15 – 0,30 1300 13,2 0,30 – 0,45 1300 13,8
Determine os armazenamentos nas camadas 0 – 0,45;0 – 0,90; 0 – 1,20; 0,45 – 1,20 e 0,15 – 0,30.
0,30 – 0,45 1300 13,8
0,45 – 0,60 1150 15,2 0,60 – 0,75 1100 18,6
0,75 – 0,90 1100 16,3 0,90 – 1,05 1050 13,7 1,05 – 1,20 1000 13,7
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Ex. Em uma área experimental cultivada com feijão, aumidade volumétrica do solo foi determinada em váriasprofundidades e em duas épocas diferentes (Tabela).Pede-se:
- trace os perfis de umidade no solo para os dias- trace os perfis de umidade no solo para os dias10 e 17/04;
- empregando os métodos do somatório e daumidade média no perfil, determine o armazenamento deágua na camada de solo de 50 cm para o dia 10/04.
- determine o consumo de água da cultura dofeijão entre os dias 10 e 17/04, sabendo-se que nesteperíodo não houve irrigação nem precipitação.
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Z (cm) 10/04/2010 17/04/2010
θ (cm3.cm-3) θ (cm .cm ) 0 0,503 0,470 10 0,486 0,425 20 0,425 0,382 30 0,395 0,342 40 0,387 0,335
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a) Perfil de umidade
0
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6umidade (cm3 cm-3)
10
20
30
40
50
60
z (c
m)
10/abr
17/abr
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b) Método do somatório
mm6,219)387,0395,0425,0486,0503,0(100A )04/10(50 =++++=
cm3 .cm-3
4392,05
387,0395,0425,0486,0503,0)04/10( =++++=θ
mm6,219)500.(4392,0)LL(A 12)04/10(50 ==−θ=
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c) A variação de armazenamento de água no solo novolume de controle, entre os dias 10 e 17/04, expressa oconsumo de água da cultura de feijão, uma vez que noperíodo considerado não houve irrigação nemprecipitação, ou seja:
cm3 .cm-3
precipitação, ou seja:
33)04/17( cmcm3908,0
5
335,0342,0382,0425,0470,0 −=++++=θ
mm1,204)500.(4082,0)LL(A 12)04/17(50 ==−θ=
1)04/1004/17( dia.mm2,2
7
1,2046,219A −
− =−=∆
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1.5.1 – Movimento de água no solo
Estado energético da água
A água é transferida para a atmosfera pelosA água é transferida para a atmosfera pelosprocessos de transpiração e evaporação.
Transpiração – a água na forma de vapor passa pordifusão estomática para a atmosfera.
Evaporação – existindo um gradiente de potencialentre o solo e a atmosfera, a umidade do solodiminui e com isso o potencial da água.
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1.5.1 – Movimento de água no solo
Portanto, a água se desloca de
Ψatm =-10,0 a -100,0 MPa
Portanto, a água se desloca deregiões de maior para menorenergia tendência nanatureza de todos os corposassumirem um estado deenergia mínima.
Ψsolo=-0,01 a -0,2 MPa
Ψraiz =-0,1 a -1,0 MPa
Ψfolha =-0,5 a -0,4 MPa
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1.5.1 – Movimento de água no solo
Conclui-se que, a quantidade de água presente no solo,na planta, na atmosfera ou em qualquer corpo nanatureza é caracterizada por um estado de energia
Conceitos estáticos
natureza é caracterizada por um estado de energia
Conceitos dinâmicos
Armazenamento Movimento
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1.5.1 – Movimento de água no solo
Formas de energia da água
O estado de energia da água pode ser expresso:O estado de energia da água pode ser expresso:
Cinética Potencial
2mv
Ec2
= mghEp =
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1.5.1 – Movimento de água no solo
Potencial da água no solo
O potencial está associado à quantidade de águaO potencial está associado à quantidade de águadisponível no solo. Quanto menor o potencial, maisdificuldade a planta terá para equilibrar o fluxo deágua no sistema solo-planta-atmosfera.
Pelo fato da Ec ser desprezível, o potencial é umaestimativa do estado de energia da água no solo.
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Potencial da água no solo
a) Unidades do potencial
PamN
mNm
mJ
volume
energia233 ==== Pa
mmmvolume 233 ====
2
2
2 sm
kgs
kgmm
kgNm
kgJ
massa
energia ====
m
smskg
kgmm
g.KgNm
g.kgJ
peso
energia
22
====
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Potencial da água no solo
a) Potencial e seus componentes
...os
mpg
ψ+ψ+ψ+ψ+ψ=ψ
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a) Potencial e seus componentes
Potencial matricial
hPStevindeLei γ=→
0h)hhh(P 112A =γ+++γ−
)hhh(hP 121A ++γ+γ−=
)hhh(hP
121A ++
γγ+
γγ−=
γ
hPStevindeLei γ=→
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a) Potencial e seus componentes
Potencial matricial
12A
12A
hhh6,12
hhhh1000
13600
++−=ψ
+++−=ψ
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a) Potencial e seus componentes
Curva de retenção
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a) Potencial e seus componentes
Van Genutchen (1980)
[ ]mnm
rsr
)(1 αψ+θ−θ+θ=θ
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Com base na equação (θ cm3 cm-3 e ψm cca(+)) qual
Exemplo[ ] 2681,0213,0
m)353,16(1
445,0039,0
ψ++=θ
Com base na equação (θ cm cm e ψm cca(+)) quala umidade do solo equivalente a um potencialmatricial medido de 50,8 cca;?
Um novo tensiômetro foi instalado obtendo h = 20cm,h1 = 5 cm e h2 = 30 cm. Sabendo que θcc = 35% eθpm = 20% e que a recomendação é que a irrigaçãoseja realizada toda vez que θ = 40% da águadisponível: está na hora de irrigar ?
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1.5.2 – Disponibilidade de água no solo
A água no solo teoricamente disponível às plantas- θ 0,1 a 0,3 atm (10 – 30 kPa)- θcc 0,1 a 0,3 atm (10 – 30 kPa)- θpm 15 atm (1500 kPa)
θcc equilíbrio entre a retenção e a força dagravidade, quando a drenagem é desprezível
θpm equilíbrio entre as forças de adesão e asucção exercida pelas raízes
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1.5.2 – Disponibilidade de água no solo
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1.5.2 – Disponibilidade de água no solo
ds10
UUDTA pmcc −
=solodocm
guaádemm
10 solodocm
solocm
águacm
solocm
águag
solocm
solog
solog
águagDTA
3
3
33===
solocm
águamm10
solocm
águacm
solocmcm
águacmcmDTA
2
2===
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1.5.2 – Disponibilidade de água no solo
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1.5.2 – Disponibilidade de água no solo
Os valores de DTA variam em função da textura dosolo e assumem normalmente os seguintes valores:solo e assumem normalmente os seguintes valores:
Textura grossa: 0,4 a 0,8Textura média: 0,8 a 1,6Textura fina: 1,2 a 2,4
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1.5.2 – Disponibilidade de água no solo
Zds10
UUZ.DTAAD pmcc −
== Zds10
Z.DTAAD
fZds10
UUf.ADAFD pmcc −
==
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1.5.2 – Disponibilidade de água no solo
Ex. Sabendo que Ucc = 29,0%, θpm =18,0% e que Ds = 1,35 g.cm-3, determine:
cc pm s
g.cm-3, determine:
a) a disponibilidade total de água neste solo;
b) a capacidade total de água, sabendo que aprofundidade efetiva do sistema radicular é de 30,0 cm.
IT-1101 - AGRICULTURA IRRIGADA
1.5.2 – Disponibilidade de água no solo
a) θcc = Ucc .1,35 = 0,3915 cm3.cm-3 (39,15%). Como
os dois valores já estão expressos em volume,cálculo final será:os dois valores já estão expressos em volume,cálculo final será:
1pmcccm.mm115,2
10
0,1815,39
10DTA −=−=
−=
θθ
b) AD = DTA.Z = 2,115.30 = 63,45 mm.
Professor Daniel Fonseca de Carvalho
ENGENHARIA DE ÁGUA E SOLO
UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO RIO DE JANEIRO
INSTITUTO DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA
ENGENHARIA DE ÁGUA E SOLO
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